Aliuminis

ALIUMINIS

Aliuminis yra 4A grupėje. Aliuminis – lengvas metalas. Gryno gamtoje nerandama, nes jis chemiškai labai aktyvus. Tai labiausiai Žemės plutoje paplitęs metalas, sudaro 8,05 jos masės. JAV kasmet pagaminama apie 5 milijonus tonų aliuminio. Aliuminis dažniausiai gaunamas iš boksito – aliuminio rūdos, susidedančios iš Al hidroksidų HALO2 , AlO(OH), Al(OH)3 su kitų mineralų priedais, rečiau iš korundo ir kriolito Na3AlF6 . Daug aliuminio yra molyje, įvairiuose mineraluose.
Taip pat paminėsime, kad daugelis aliuminio turinčių metalų yra vertingi. Korundas kietumu prilygsta deimantui, todėl iš jo gaminami šlifavimo, gaalandimo įrankiai. Skaidrios spalvos korundo atmainos – rubinas ir safyras – yra brangakmeniai. Kiti brangakmeniai –smaragdas, akvamarinas, aleksandritas – yra aliuminio ir berilio mineralai.

Nors aliuminio žaliavų atsargos Žemėje labai didelės, tačiau jį išskirti iš junginių sunku. Dėl to aliuminis gautas gana vėlai (1827m.).
 a. viduryje aliuminis buvo brangesnis už auksą. Pasakojama, kad Prancūzijoje imperatorienė turėjo papuošalų iš aliuminio, imperatorius Napoleonas  valgė iš aliuminio indų, o ne tokie garbingi asmenys turėjo tenkintis auksiniais. Aliuminio gamyba atpigo tada, kai metalus išmokta gauti elektrolizės būdu.
Elektrolizeris aliuminio gamybai. Ellektrolizerį sudaro plieninė vonia, išklota grafitu, kuris atlieka katodo vaidmenį. Katodas yra grafitu išklotas elektrolizieriaus korpusas, o anodas anglinis strypas ant kurio išsiskiria deguonis bei susidarę anglies oksidai.
Al2O3  Al+3 + AlO33-
K(-): Al+3 + 3e  Al
A(+): 4AlO3-3 – 12e  3O2 + 2Al2O3

Anodai irgi pagaminti iš

š grafito. Susidariusio skysto aliuminio tankis yra didesnis už elektrolito tankį, todėl jis renkasi elektrolizerio dugne. Elektrolizerio paviršiuje susidaro sušalusio elektrolito pluta.
Reakcijos, vykstančios prie elektrodų, nėra tiksliai žinomos, o suminė elektrolizės lygtis yra:
Oksidacija: 3{C(k) + 2 O2- CO2(d) + 4 e-}
Redukcija: 4{Al3+ + 3 e- Al(s)}

Suma: 3 C(k) + 4 Al 3++ 6 O2- 4 Al(s) + 3 CO2(d)

Aliuminio fizikinės savybės

• Sidabriškai baltas;
• lengvas;
• plastiškas;
• kalus;
• tąsus ( lengvai ištempiamas į vielą);
• lengvai poliruojamas metalas;
• atspindi šviesą;
• geras elektros ir šilumos laidininkas.

Aliuminio cheminės savybės

Tai chemiškai aktyvus elementas, ore ir H2O pasyvuoja susidarant patvariai oksido ar hidroksido plėvelei. Tačiau jei neoksiduotas, aliuminio amalgama reaguoja:

2Al + 3HgCl2  3Hg + 2AlCl3

nAl + mHg  AlnHgm

AlnHgm + 3nH2O  nAl(OH)3 + n/2H2 + mHg

Miltelių pavidalo Al dega ryškia akinančia liepsna, susidaro Al2O3, kuris maudojamas fototechnikoje. Al milteliai yra naudojami aliumotermijoje:

Cr2O3 + 2Al  2Cr + Al2O3

Pakaitintas Al reaguoja su nemetalais:
2Al + 3S  Al2S3
2Al + N2  2AlN
4Al + 3C  Al4C3

Al amfoterinis metalas. Jam tirpstant su rūgštimis susidaro druskos:
2Al + 3H2SO4(pr)  Al2(SO4)3 + 3H2

Tirpsta šarmuose susidarant hidroksoaliumi-natams:

2Al + 2NaOH + 6H2O  2Na[Al(OH)4] + 3H2

Al labai energingai sąveikauja su halogenais, susidaro AlX3. AlF3- mažai tirpi, sunkiai lydi medžiaga, kuri su šarminių metalų fluoridais sudaro fluoraliuminatus :

AlF3 + 3NaF  Na3[AlF6]

Al2(SO4)3 kristalinasi su 18 H2O molekulių ir jis gaunamas iš karštų Al(OH)3 tirpalų H2SO4 . Jeigu sumaišomi sotūs Al2(SO4)3 ir kitų I-valenčių m. sulfatai gaunami alūnai. Jie naudojami kailių gamyboje, popieriaus pramonėje ir dažymo procesuose.
Aliuminis &#

#8211; puikus reduktorius, nes jis labai lengvai oksiduojasi sudarydamas joną su krūviu +3. Reaguodamas su rūgštimis jis išstumia vandenilį:
2 Al(k) + 6 H+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 H2(d)

Įdomu, kad aliuminis, skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų metalų, reaguoja su bazėmis. Tai susiję su Al(OH)3 rūgštinėmis savybėmis, kurias nagrinėsime truputį vėliau – paragrafe, skirtame oksidų savybėms.

2 Al(k) + 2 OH-(aq) + 6 H2O 2[Al(OH)4]-(aq) + 3 H2(d)

Kai kurių kanalizacijos valiklių veikimas pagrįstas šia reakcija. Tokį valiklį sudaro kieto natrio hidroksido ir aliuminio mišinys. Šis mišinys, pakliuvęs į vandenį, pradeda reaguoti. Išsiskirianti šiluma lydo riebalus, NaOH(aq) tirpalas tirpina juos. Besiskiriančios vandenilio dujos padeda išjudinti vamzdį užkimšusias nuosėdas. . Oksiduojant aliuminio miltelius oru ar kokiu kitu oksidatoriumi išsiskiria labai didelis kiekis šilumos, todėl aliuminis naudojamas gaminant sprogmenis bei raketinį kurą.

2 Al(k) + 3/2 O2(d) Al2O3(k) DH=-1676 kJ

Aliuminis yra toks stiprus reduktorius, kad sugeba atimti deguonį iš kitų metalų oksidų, sudarydamas aliuminio oksidą ir išstumdamas kitą metalą. Ši reakcija vadinama termitine reakcija. Dėl milžiniško išsiskiriančios energijos kiekio termitinė reakcija naudojama didelių metalinių objektų suvirinimui.

Fe2O3(k) + 2 Al(k) Al2O3(k) + 2 Fe(s)

Kambario temperatūroje aliuminis jungiasi su deguonimi:

4Al + 3O2  2Al2O3 + Q

Jo paviršiuje susidaro plona, bet labai tanki Al2O3 plėvelė, kuri saugo metalą nuo tolesnio aplinkos poveikio. Dėl to jis tinka indams gaminti.

Aliuminio induose negalima laikyti medžiagų, kurios turi rūgštinių savybių, nes aliuminio oksido plėvelė reaguoja su rūgštimis. Al

liuminio oksido plėvelę taip pat ardo šarmai.

. tai pravartu žinoti:

Jeigu aliuminis tirpsta ir rūgščiuose ir šarminiuose tirpaluose, kodėl jis netirpsta vandenyje? Aliuminis labai greitai reaguoja su oro deguonimi sudarydamas savo paviršiuje plonytį vandenyje netirpų Al2O3 sluoksnelį. Susidaręs oksido sluoksnis apsaugo metalą nuo tolimesnės oksidacijos. Al2O3 sluoksnis tirpsta rūgštyse ir šarmuose.

Al2O3(k) + 6 H+(aq) –> 2 Al3+(aq) + 3 H2O

Al2O3(k) + 2 OH- + 3 H2O –> 2 [Al(OH)4]-(aq)

Tik ištirpinę oksido sluoksnį galime pastebėti tikrajį aliuminio aktyvumą. Aliuminis yra pakankamai aktyvus ir gali išstumti H2(d) iš gryno vandens, kaip kad, pavyzdžiui, natris ar kalcis. Mes negalėtume naudoti aliuminio lėktuvų gamybai ar namų statybai, jeigu jo paviršiaus nesaugotų Al2O3 sluoksnelis.

Aliuminio gamyba

1884 m., kai Vašingtono (Washington) monumento viršutinė dalis buvo uždengta aliumininiu stogeliu, aliuminis tebebuvo pusiau brangus metalas. Jį naudojo juvelyriniams ir dailės dirbiniams. Bet vos po dviejų metų situacija pasikeitė. 1866 m Charles Martin Hall iš JAV ir Paul Heroult iš Prancūzijos viens nuo kito nepriklausomai surado ekonomiškai priimtiną būdą gaminti aliuminį iš Al2O3 elektrolizės būdu.

Aliuminio gamybos būdas yra puikus pavyzdys, kaip cheminiai dėsningumai panaudojami praktikoje. Svarbiausioji aliuminio rūda – boksitas – turi savyje Fe2O3 priemaišų, kurias būtina pašalinti. Gryninant boksitą pasinaudojama tuo, kad Al2O3 yra amfoterinis oksidas, todėl tirpsta NaOH(aq) tirpale. Fe2O3 šarmų tirpaluose netirpsta.

Al2O3(k) + 2 OH-(aq) + 3 H2O 2 [Al(OH)4]-(aq)

[Al(OH)4]- tirpalą silpnai pa

arūgštinus arba praskiedus vandeniu susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos. Kaitinamas Al(OH)3 skyla ir susidaro grynas Al2O3.

[Al(OH)4]-(aq) + H3O+(aq) Al(OH)3(k) + 2 H2O

2 Al(OH)3(k) Al2O3(k) + 3 H2O(d)

Al2O3 lydosi labai aukštoje temperatūroje (2020 °C), o išlydytas yra mažai laidus elektrai. Hall ir Heroult surado tinkamą tirpiklį, kuris lydosi žemesnėje temperatūroje, yra gerai laidus elektrai ir neblogai tirpina Al2O3. Toks tirpiklis yra mineralas kriolitas, Na3AlF6, kuriame maždaug 1000 °C temperatūroje ištirpsta iki 15% (masės) Al2O3. Nuo to laiko aliuminis gaminamas elektrolizuojant maždaug 950 °C temperatūros Al2O3 tirpalą išlydytame kriolite. Gaunamas 99,6-99,8% grynumo aliuminis.

Boksito gryninimo metodas. Į tirpalą, kuriame yra Al3+(aq) ir Fe3+(aq) jonų pilant OH-(aq)
formuojasi Fe(OH)3(k) ir Al(OH)3 nuosėdos. Šarmo pertekliuje Al(OH)3 nuosėdos ištirpsta sudarydamos [Al(OH)4]-(aq), o Fe(OH)3 nuosėdos lieka (kairysis paveikslėlis) ir atskiriamos filtruojant. Tirpalą po filtravimo silpnai parūgštinus, pavyzdžiui įdėjus kieto CO2 (“sauso ledo”) (vidurinysis paveikslėlis), vėl susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos (dešinysis paveikslėlis). Gamyklose Al(OH)3 dažniausiai nusodinamas skiedžiant [Al(OH)4]-(aq) tirpalą dideliu kiekiu vandens.

Aliuminio gamybai reikia labai daug elektros energijos – 1 tonai aliuminio pagaminti sunaudojama apie 15000 kWh elektros energijos [palyginkite: 1 tonai Cl2 pagaminti elektrolizuojant NaCl(aq) reikia apie 3000 kWh elektros energijos]. Dėl šios priežasties aliuminio gamyklos statomos netoli pigių energijos šaltinių, pavyzdžiui netoli hidroelektrinių. Aliuminio gamybai iš jau naudoto aliuminio laužo reikia tik apie 5% to energijos kiekio, kurio reiktų tokiam pat kiekiui aliuminio išskirti iš boksito. Todėl rinkti jau panaudotą aliuminį ekonomiškai naudinga. JAV apie 45% sunaudojamo aliuminio yra pagaminta iš aliuminio laužo.

Aliuminio halidai

Cl Cl Cl
Al Al
Cl Cl Cl

Al2Cl6 sandara. Du Cl atomai sudaro tarsi tiltelį tarp dviejų Al atomų, tuo būdu sujungdami du AlCl3 fragmentus į vieną molekulę. Strėlėmis parodytos jungtys, susidarančios dalyvaujant tiltelio Cl atomamų elektronų poroms ir aliuminio tuščioms orbitalėms.

Aliuminio fluoridas, AlF3, yra joninis junginys. Jis lydosi aukštoje temperatūroje (1040 °C), o išlydytas yra geras elektros srovės laidininkas. Kiti aliuminio halidai yra molekulinės sandaros medžiagos. Jų bendra formulė Al2X6 (kur X = Cl, Br arba I). Tokias molekules galime laikyti susidedančiomis iš dviejų AlX3 fragmentų, todėl jos dar vadinamos dimerais. Matome, kad kiekvienas aliuminio atomas sudaro jungtis su dviem chloro atomais, “priklausančiais” tik jam, ir su dviem chloro atomais, kurie yra bendri abiem aliuminio atomams ir sudaro tarsi tiltelį tarp jų. Kiekvienas tiltelio Cl atomas sudaro po vieną įprastinę kovalentinę jungtį (jungties sudarymui panaudojami 1 aliuminio elektronas ir 1 chloro elektronas) ir po vieną koordinacinę kovalentinę jungtį (abu jungties elektronai anksčiau priklausė tik chloro atomui). Koordinacinės kovalentinės jungtys paveiksle pavaizduotos strėlėmis. Aliuminis tokiame junginyje yra sp3 hibridizacijos.

tai pravartu žinoti .

Kodėl aliuminio gamybai reikia tiek daug energijos? Jeigu reakcijai vykti reikalinga aukšta temperatūra, tai labai daug energijos sunaudojama kaitinimui. Aliuminio gamybos elektrolizeryje, kaitinamame elektros, palaikoma beveik 1000 °C temperatūra. Be to vienam moliui aliuminio, kurio masė tik 27 g, išskirti reikia 3 molių elektronų. (Al3+ + 3 e- Al). Palyginkite: pratekėjus 1 moliui elektronų pagaminama 9 g aliuminio arba 12 g magnio, arba 20 g kalcio arba 35,5 g chloro. Kitą vertus tos pačios priežastys, dėl kurių gaminant aliuminį tenka sunaudoti labai daug energijos, lemia tai, kad aliuminis, panaudotas galvaniniuose elementuose, gali pagaminti didelį elektros energijos kiekį.

Aliuminio halidai yra labai aktyvios Lewis_o rūgštys. Jie lengvai prijungia elektronų porą sudarydami rūkšties ir bazės jungimosi produktą, vadinamą aduktu. Žemiau pateiktame pavyzdyje AlCl3 yra Lewis_o rūgštis, o dietilo eteris, (C2H5)2O, yra Lewis_o bazė.
Cl C2H5 Cl C2H5
Cl Al + O Cl Al O
Cl C2H5 Cl C2H5

Aliuminio halidai naudojami sintetinant organines medžiagas, nes jie, sudarydami aduktus, katalitina įvairias reakcijas. Hidrido joną H-, pagal jo elektroninę sandarą galima laikyti pseudohalidu, o joną AlH4- galime laikyti AlH3 ir H- aduktu. Tokio tipo junginys – ličio aliuminio hidridas, LiAlH4 – yra geras reduktorius, naudojamas organinėje chemijoje.

Kitas svarbus kompleksinis halidas – kriolitas, Na3AlF6, naudojamas tirpiklio vaidmenyje Hall ir Heroult procese. Kriolitą galima pagaminti švininiuose induose vykdant tokią reakciją :

6 HF + Al(OH)3 + 3 NaOH –> Na3AlF6 + 6 H2O

Aliuminio oksidai ir hidroksidai

Aliuminio oksidas yra vadinamas skirtingais vardais. Kristalinis aliuminio oksidas vadinamas korundu. Grynas korundas sudaro brangakmenį, vadinamą baltuoju safyru. Korundas su nedidelėmis Cr3+ priemaišomis vadinamas rubinu, o su Fe3+ ir Ti4+ priemaišomis – mėlynuoju safyru.

Fizines aliuminio oksido savybes nulemia ryšių prigimtis šioje medžiagoje. Al3+ ir O2- jonai yra maži, todėl tarp jų veikia labai stiprūs joniniai ryšiai. O2- jonai sudaro kubinę tankiausios sanglaudos gardelę, o Al3+ jonai užima šios gardelės oktaedrines tuštumas. Dėl šitokios kristalinės gardelės sandaros aliuminio oksidas yra labai kieta medžiaga, naudojama kaip abrazyvas. Jis labai atsparus kaitinimui (lydosi 2020 °C temperatūroje). Aliuminio oksidu padengiami aukštos temperatūros degikliai, jis tarnauja pagrindu, ant kurio nusodinami katalizatoriai, naudojami pramoniniuose cheminiuose procesuose. Aliuminio oksidas netenka savo cheminio inertiškumo tik labai aukštoje temperatūroje.

Aliuminio hidroksidas yra amfoterinė medžiaga. Jis, kaip ir kitų metalų hidroksidai, reaguoja su rūgštimis.

Al(OH)3(k) + 3 H3O+(aq) –> [Al(H2O)6]3+(aq)

Tačiau skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų hidroksidų, Al(OH)3 reaguoja ir su bazėmis. Reakcijos produktas – kompleksinis jonas.

Al(OH)3(k) + OH-(aq) –> [Al(OH)4]-(aq)

UŽDUOTYS:
1. Išvardykite aliuminio fizikines savybes.
2. Išvardykite aliuminio chemines savybes.
3. Papasakokite apie aliuminio panaudojimą.
4. Kada buvo gautas aliuminis?
5. Iš ko gaunamas aliuminis?
6. Kodėl aliuminis netirpsta vandenyje?
7. Kodėl aliuminio gamybai reikia tiek daug energijos?
8. Pabaikite lygtį:

4Al + 3O2 

9. Į 200 ml 0,1 mol/l koncentracijos druskos rūgšties tirpalą įdėta aliuminio. Raskite susidariusios druskos masę ir vandenilio kiekį.
10. Parašykite reakcijos lygtį tarp sieros rūgšties ir aliuminio.

Literatūra:
1. Regina Jasiūnienė, Virgina Valentinavičienė, “Chemija”, Alma littera, Vilnius, 1998m.
2. Pažinimo džiaugsmas, “Žemė ir jos gėrybės”, Mokslo ir enciklopedijų leidykla, Vilnius, 1993m.
3. Interneto svetainės.

ALIUMINIS

Aliuminis yra A grupėje. Aliuminis – lengvas metalas. Gryno gamtoje nerandama, nes jis chemiškai labai aktyvus. Tai labiausiai Žemės plutoje paplitęs metalas, sudaro 8,05 jos masės. JAV kasmet pagaminama apie 5 milijonus tonų aliuminio. Aliuminis dažniausiai gaunamas iš boksito – aliuminio rūdos, susidedančios iš Al hidroksidų HALO2 , AlO(OH), Al(OH)3 su kitų mineralų priedais, rečiau iš korundo ir kriolito Na3AlF6 . Daug aliuminio yra molyje, įvairiuose mineraluose.
Taip pat paminėsime, kad daugelis aliuminio turinčių metalų yra vertingi. Korundas kietumu prilygsta deimantui, todėl iš jo gaminami šlifavimo, galandimo įrankiai. Skaidrios spalvos korundo atmainos – rubinas ir safyras – yra brangakmeniai. Kiti brangakmeniai –smaragdas, akvamarinas, aleksandritas – yra aliuminio ir berilio mineralai.

Nors aliuminio žaliavų atsargos Žemėje labai didelės, tačiau jį išskirti iš junginių sunku. Dėl to aliuminis gautas gana vėlai (1827m.).
 a. viduryje aliuminis buvo brangesnis už auksą. Pasakojama, kad Prancūzijoje imperatorienė turėjo papuošalų iš aliuminio, imperatorius Napoleonas  valgė iš aliuminio indų, o ne tokie garbingi asmenys turėjo tenkintis auksiniais. Aliuminio gamyba atpigo tada, kai metalus išmokta gauti elektrolizės būdu.
Elektrolizeris aliuminio gamybai. Elektrolizerį sudaro plieninė vonia, išklota grafitu, kuris atlieka katodo vaidmenį. Katodas yra grafitu išklotas elektrolizieriaus korpusas, o anodas anglinis strypas ant kurio išsiskiria deguonis bei susidarę anglies oksidai.
Al2O3  Al+3 + AlO33-
K(-): Al+3 + 3e  Al
A(+): 4AlO3-3 – 12e  3O2 + 2Al2O3

Anodai irgi pagaminti iš grafito. Susidariusio skysto aliuminio tankis yra didesnis už elektrolito tankį, todėl jis renkasi elektrolizerio dugne. Elektrolizerio paviršiuje susidaro sušalusio elektrolito pluta.
Reakcijos, vykstančios prie elektrodų, nėra tiksliai žinomos, o suminė elektrolizės lygtis yra:
Oksidacija: 3{C(k) + 2 O2- CO2(d) + 4 e-}
Redukcija: 4{Al3+ + 3 e- Al(s)}

Suma: 3 C(k) + 4 Al 3++ 6 O2- 4 Al(s) + 3 CO2(d)

Aliuminio fizikinės savybės

• Sidabriškai baltas;
• lengvas;
• plastiškas;
• kalus;
• tąsus ( lengvai ištempiamas į vielą);
• lengvai poliruojamas metalas;
• atspindi šviesą;
• geras elektros ir šilumos laidininkas.

Aliuminio cheminės savybės

Tai chemiškai aktyvus elementas, ore ir H2O pasyvuoja susidarant patvariai oksido ar hidroksido plėvelei. Tačiau jei neoksiduotas, aliuminio amalgama reaguoja:

2Al + 3HgCl2  3Hg + 2AlCl3

nAl + mHg  AlnHgm

AlnHgm + 3nH2O  nAl(OH)3 + n/2H2 + mHg

Miltelių pavidalo Al dega ryškia akinančia liepsna, susidaro Al2O3, kuris maudojamas fototechnikoje. Al milteliai yra naudojami aliumotermijoje:

Cr2O3 + 2Al  2Cr + Al2O3

Pakaitintas Al reaguoja su nemetalais:
2Al + 3S  Al2S3
2Al + N2  2AlN
4Al + 3C  Al4C3

Al amfoterinis metalas. Jam tirpstant su rūgštimis susidaro druskos:
2Al + 3H2SO4(pr)  Al2(SO4)3 + 3H2

Tirpsta šarmuose susidarant hidroksoaliumi-natams:

2Al + 2NaOH + 6H2O  2Na[Al(OH)4] + 3H2

Al labai energingai sąveikauja su halogenais, susidaro AlX3. AlF3- mažai tirpi, sunkiai lydi medžiaga, kuri su šarminių metalų fluoridais sudaro fluoraliuminatus :

AlF3 + 3NaF  Na3[AlF6]

Al2(SO4)3 kristalinasi su 18 H2O molekulių ir jis gaunamas iš karštų Al(OH)3 tirpalų H2SO4 . Jeigu sumaišomi sotūs Al2(SO4)3 ir kitų I-valenčių m. sulfatai gaunami alūnai. Jie naudojami kailių gamyboje, popieriaus pramonėje ir dažymo procesuose.
Aliuminis – puikus reduktorius, nes jis labai lengvai oksiduojasi sudarydamas joną su krūviu +3. Reaguodamas su rūgštimis jis išstumia vandenilį:
2 Al(k) + 6 H+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 H2(d)

Įdomu, kad aliuminis, skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų metalų, reaguoja su bazėmis. Tai susiję su Al(OH)3 rūgštinėmis savybėmis, kurias nagrinėsime truputį vėliau – paragrafe, skirtame oksidų savybėms.

2 Al(k) + 2 OH-(aq) + 6 H2O 2[Al(OH)4]-(aq) + 3 H2(d)

Kai kurių kanalizacijos valiklių veikimas pagrįstas šia reakcija. Tokį valiklį sudaro kieto natrio hidroksido ir aliuminio mišinys. Šis mišinys, pakliuvęs į vandenį, pradeda reaguoti. Išsiskirianti šiluma lydo riebalus, NaOH(aq) tirpalas tirpina juos. Besiskiriančios vandenilio dujos padeda išjudinti vamzdį užkimšusias nuosėdas. . Oksiduojant aliuminio miltelius oru ar kokiu kitu oksidatoriumi išsiskiria labai didelis kiekis šilumos, todėl aliuminis naudojamas gaminant sprogmenis bei raketinį kurą.

2 Al(k) + 3/2 O2(d) Al2O3(k) DH=-1676 kJ

Aliuminis yra toks stiprus reduktorius, kad sugeba atimti deguonį iš kitų metalų oksidų, sudarydamas aliuminio oksidą ir išstumdamas kitą metalą. Ši reakcija vadinama termitine reakcija. Dėl milžiniško išsiskiriančios energijos kiekio termitinė reakcija naudojama didelių metalinių objektų suvirinimui.

Fe2O3(k) + 2 Al(k) Al2O3(k) + 2 Fe(s)

Kambario temperatūroje aliuminis jungiasi su deguonimi:

4Al + 3O2  2Al2O3 + Q

Jo paviršiuje susidaro plona, bet labai tanki Al2O3 plėvelė, kuri saugo metalą nuo tolesnio aplinkos poveikio. Dėl to jis tinka indams gaminti.

Aliuminio induose negalima laikyti medžiagų, kurios turi rūgštinių savybių, nes aliuminio oksido plėvelė reaguoja su rūgštimis. Aliuminio oksido plėvelę taip pat ardo šarmai.

. tai pravartu žinoti:

Jeigu aliuminis tirpsta ir rūgščiuose ir šarminiuose tirpaluose, kodėl jis netirpsta vandenyje? Aliuminis labai greitai reaguoja su oro deguonimi sudarydamas savo paviršiuje plonytį vandenyje netirpų Al2O3 sluoksnelį. Susidaręs oksido sluoksnis apsaugo metalą nuo tolimesnės oksidacijos. Al2O3 sluoksnis tirpsta rūgštyse ir šarmuose.

Al2O3(k) + 6 H+(aq) –> 2 Al3+(aq) + 3 H2O

Al2O3(k) + 2 OH- + 3 H2O –> 2 [Al(OH)4]-(aq)

Tik ištirpinę oksido sluoksnį galime pastebėti tikrajį aliuminio aktyvumą. Aliuminis yra pakankamai aktyvus ir gali išstumti H2(d) iš gryno vandens, kaip kad, pavyzdžiui, natris ar kalcis. Mes negalėtume naudoti aliuminio lėktuvų gamybai ar namų statybai, jeigu jo paviršiaus nesaugotų Al2O3 sluoksnelis.

Aliuminio gamyba

1884 m., kai Vašingtono (Washington) monumento viršutinė dalis buvo uždengta aliumininiu stogeliu, aliuminis tebebuvo pusiau brangus metalas. Jį naudojo juvelyriniams ir dailės dirbiniams. Bet vos po dviejų metų situacija pasikeitė. 1866 m Charles Martin Hall iš JAV ir Paul Heroult iš Prancūzijos viens nuo kito nepriklausomai surado ekonomiškai priimtiną būdą gaminti aliuminį iš Al2O3 elektrolizės būdu.

Aliuminio gamybos būdas yra puikus pavyzdys, kaip cheminiai dėsningumai panaudojami praktikoje. Svarbiausioji aliuminio rūda – boksitas – turi savyje Fe2O3 priemaišų, kurias būtina pašalinti. Gryninant boksitą pasinaudojama tuo, kad Al2O3 yra amfoterinis oksidas, todėl tirpsta NaOH(aq) tirpale. Fe2O3 šarmų tirpaluose netirpsta.

Al2O3(k) + 2 OH-(aq) + 3 H2O 2 [Al(OH)4]-(aq)

[Al(OH)4]- tirpalą silpnai parūgštinus arba praskiedus vandeniu susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos. Kaitinamas Al(OH)3 skyla ir susidaro grynas Al2O3.

[Al(OH)4]-(aq) + H3O+(aq) Al(OH)3(k) + 2 H2O

2 Al(OH)3(k) Al2O3(k) + 3 H2O(d)

Al2O3 lydosi labai aukštoje temperatūroje (2020 °C), o išlydytas yra mažai laidus elektrai. Hall ir Heroult surado tinkamą tirpiklį, kuris lydosi žemesnėje temperatūroje, yra gerai laidus elektrai ir neblogai tirpina Al2O3. Toks tirpiklis yra mineralas kriolitas, Na3AlF6, kuriame maždaug 1000 °C temperatūroje ištirpsta iki 15% (masės) Al2O3. Nuo to laiko aliuminis gaminamas elektrolizuojant maždaug 950 °C temperatūros Al2O3 tirpalą išlydytame kriolite. Gaunamas 99,6-99,8% grynumo aliuminis.

Boksito gryninimo metodas. Į tirpalą, kuriame yra Al3+(aq) ir Fe3+(aq) jonų pilant OH-(aq)
formuojasi Fe(OH)3(k) ir Al(OH)3 nuosėdos. Šarmo pertekliuje Al(OH)3 nuosėdos ištirpsta sudarydamos [Al(OH)4]-(aq), o Fe(OH)3 nuosėdos lieka (kairysis paveikslėlis) ir atskiriamos filtruojant. Tirpalą po filtravimo silpnai parūgštinus, pavyzdžiui įdėjus kieto CO2 (“sauso ledo”) (vidurinysis paveikslėlis), vėl susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos (dešinysis paveikslėlis). Gamyklose Al(OH)3 dažniausiai nusodinamas skiedžiant [Al(OH)4]-(aq) tirpalą dideliu kiekiu vandens.

Aliuminio gamybai reikia labai daug elektros energijos – 1 tonai aliuminio pagaminti sunaudojama apie 15000 kWh elektros energijos [palyginkite: 1 tonai Cl2 pagaminti elektrolizuojant NaCl(aq) reikia apie 3000 kWh elektros energijos]. Dėl šios priežasties aliuminio gamyklos statomos netoli pigių energijos šaltinių, pavyzdžiui netoli hidroelektrinių. Aliuminio gamybai iš jau naudoto aliuminio laužo reikia tik apie 5% to energijos kiekio, kurio reiktų tokiam pat kiekiui aliuminio išskirti iš boksito. Todėl rinkti jau panaudotą aliuminį ekonomiškai naudinga. JAV apie 45% sunaudojamo aliuminio yra pagaminta iš aliuminio laužo.

Aliuminio halidai

Cl Cl Cl
Al Al
Cl Cl Cl

Al2Cl6 sandara. Du Cl atomai sudaro tarsi tiltelį tarp dviejų Al atomų, tuo būdu sujungdami du AlCl3 fragmentus į vieną molekulę. Strėlėmis parodytos jungtys, susidarančios dalyvaujant tiltelio Cl atomamų elektronų poroms ir aliuminio tuščioms orbitalėms.

Aliuminio fluoridas, AlF3, yra joninis junginys. Jis lydosi aukštoje temperatūroje (1040 °C), o išlydytas yra geras elektros srovės laidininkas. Kiti aliuminio halidai yra molekulinės sandaros medžiagos. Jų bendra formulė Al2X6 (kur X = Cl, Br arba I). Tokias molekules galime laikyti susidedančiomis iš dviejų AlX3 fragmentų, todėl jos dar vadinamos dimerais. Matome, kad kiekvienas aliuminio atomas sudaro jungtis su dviem chloro atomais, “priklausančiais” tik jam, ir su dviem chloro atomais, kurie yra bendri abiem aliuminio atomams ir sudaro tarsi tiltelį tarp jų. Kiekvienas tiltelio Cl atomas sudaro po vieną įprastinę kovalentinę jungtį (jungties sudarymui panaudojami 1 aliuminio elektronas ir 1 chloro elektronas) ir po vieną koordinacinę kovalentinę jungtį (abu jungties elektronai anksčiau priklausė tik chloro atomui). Koordinacinės kovalentinės jungtys paveiksle pavaizduotos strėlėmis. Aliuminis tokiame junginyje yra sp3 hibridizacijos.

tai pravartu žinoti .

Kodėl aliuminio gamybai reikia tiek daug energijos? Jeigu reakcijai vykti reikalinga aukšta temperatūra, tai labai daug energijos sunaudojama kaitinimui. Aliuminio gamybos elektrolizeryje, kaitinamame elektros, palaikoma beveik 1000 °C temperatūra. Be to vienam moliui aliuminio, kurio masė tik 27 g, išskirti reikia 3 molių elektronų. (Al3+ + 3 e- Al). Palyginkite: pratekėjus 1 moliui elektronų pagaminama 9 g aliuminio arba 12 g magnio, arba 20 g kalcio arba 35,5 g chloro. Kitą vertus tos pačios priežastys, dėl kurių gaminant aliuminį tenka sunaudoti labai daug energijos, lemia tai, kad aliuminis, panaudotas galvaniniuose elementuose, gali pagaminti didelį elektros energijos kiekį.

Aliuminio halidai yra labai aktyvios Lewis_o rūgštys. Jie lengvai prijungia elektronų porą sudarydami rūkšties ir bazės jungimosi produktą, vadinamą aduktu. Žemiau pateiktame pavyzdyje AlCl3 yra Lewis_o rūgštis, o dietilo eteris, (C2H5)2O, yra Lewis_o bazė.
Cl C2H5 Cl C2H5
Cl Al + O Cl Al O
Cl C2H5 Cl C2H5

Aliuminio halidai naudojami sintetinant organines medžiagas, nes jie, sudarydami aduktus, katalitina įvairias reakcijas. Hidrido joną H-, pagal jo elektroninę sandarą galima laikyti pseudohalidu, o joną AlH4- galime laikyti AlH3 ir H- aduktu. Tokio tipo junginys – ličio aliuminio hidridas, LiAlH4 – yra geras reduktorius, naudojamas organinėje chemijoje.

Kitas svarbus kompleksinis halidas – kriolitas, Na3AlF6, naudojamas tirpiklio vaidmenyje Hall ir Heroult procese. Kriolitą galima pagaminti švininiuose induose vykdant tokią reakciją :

6 HF + Al(OH)3 + 3 NaOH –> Na3AlF6 + 6 H2O

Aliuminio oksidai ir hidroksidai

Aliuminio oksidas yra vadinamas skirtingais vardais. Kristalinis aliuminio oksidas vadinamas korundu. Grynas korundas sudaro brangakmenį, vadinamą baltuoju safyru. Korundas su nedidelėmis Cr3+ priemaišomis vadinamas rubinu, o su Fe3+ ir Ti4+ priemaišomis – mėlynuoju safyru.

Fizines aliuminio oksido savybes nulemia ryšių prigimtis šioje medžiagoje. Al3+ ir O2- jonai yra maži, todėl tarp jų veikia labai stiprūs joniniai ryšiai. O2- jonai sudaro kubinę tankiausios sanglaudos gardelę, o Al3+ jonai užima šios gardelės oktaedrines tuštumas. Dėl šitokios kristalinės gardelės sandaros aliuminio oksidas yra labai kieta medžiaga, naudojama kaip abrazyvas. Jis labai atsparus kaitinimui (lydosi 2020 °C temperatūroje). Aliuminio oksidu padengiami aukštos temperatūros degikliai, jis tarnauja pagrindu, ant kurio nusodinami katalizatoriai, naudojami pramoniniuose cheminiuose procesuose. Aliuminio oksidas netenka savo cheminio inertiškumo tik labai aukštoje temperatūroje.

Aliuminio hidroksidas yra amfoterinė medžiaga. Jis, kaip ir kitų metalų hidroksidai, reaguoja su rūgštimis.

Al(OH)3(k) + 3 H3O+(aq) –> [Al(H2O)6]3+(aq)

Tačiau skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų hidroksidų, Al(OH)3 reaguoja ir su bazėmis. Reakcijos produktas – kompleksinis jonas.

Al(OH)3(k) + OH-(aq) –> [Al(OH)4]-(aq)

UŽDUOTYS:
1. Išvardykite aliuminio fizikines savybes.
2. Išvardykite aliuminio chemines savybes.
3. Papasakokite apie aliuminio panaudojimą.
4. Kada buvo gautas aliuminis?
5. Iš ko gaunamas aliuminis?
6. Kodėl aliuminis netirpsta vandenyje?
7. Kodėl aliuminio gamybai reikia tiek daug energijos?
8. Pabaikite lygtį:

4Al + 3O2 

9. Į 200 ml 0,1 mol/l koncentracijos druskos rūgšties tirpalą įdėta aliuminio. Raskite susidariusios druskos masę ir vandenilio kiekį.
10. Parašykite reakcijos lygtį tarp sieros rūgšties ir aliuminio.

Literatūra:
1. Regina Jasiūnienė, Virgina Valentinavičienė, “Chemija”, Alma littera, Vilnius, 1998m.
2. Pažinimo džiaugsmas, “Žemė ir jos gėrybės”, Mokslo ir enciklopedijų leidykla, Vilnius, 1993m.
3. Interneto svetainės.

Leave a Comment